導(dǎo)讀：

沒有人知道量子糾纏的機制？這是個常見的誤解,。其實量子糾纏是一個被理論預(yù)言然后確實觀察到了的現(xiàn)象,，而不是意外的實驗發(fā)現(xiàn)，所以,，科學(xué)家怎么可能不知道它的機制呢,？量子糾纏的機制就是：疊加原理,，測量時的突變,，以及直積態(tài)和糾纏態(tài)的區(qū)別,。

前四篇見：

你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（2-3） | 袁嵐峰

你完全可以理解量子信息（4-5） | 袁嵐峰）

你完全可以理解量子信息（6） | 袁嵐峰）

七,、第三大奧義：糾纏

前面說的都只是一個量子比特的體系,，已經(jīng)有這么多不可思議之處,。多個量子比特的體系,，可想而知會更加奇怪,。這就引出了“量子糾纏”現(xiàn)象，——你聽說過這個詞,，對不對,？

量子糾纏在許多文章中被傳得神乎其神，幾乎成了心靈感應(yīng),、神秘主義的代名詞,。但其實量子糾纏是一個有明確定義的概念,，是一種被量子力學(xué)預(yù)言必然出現(xiàn)也早就觀測到了的現(xiàn)象。它的物理原理很清楚,，絕大部分神秘感都是被故弄玄虛的媒體強加上去的?？戳讼旅娴慕忉?，你就明白它實際上是什么了,。

我們先來看一個數(shù)學(xué)問題,。拿出一個二元函數(shù)F(x, y)，你來試著把它寫成一個關(guān)于x的函數(shù)f(x)與一個關(guān)于y的函數(shù)g(y)的乘積,，也就是說，尋找f(x)和g(y),，使得F(x, y)= f(x) g(y)。如果可以,，我們就說F(x, y)是可以“分離變量”的。如果不行,，我們就說它不能分離變量。同樣的定義可以推廣到二元以上的函數(shù),，例如F(x, y, z) 是否可以寫成f(x) g(y) u(z)，就是這個三元函數(shù)能不能分離變量,。

顯然,，有些二元函數(shù)是可以分離變量的。例如F(x, y) = xy,，你取f(x) = x和g(y) = y就可以了。（這是道送分題?。┯秩鏔(x, y) = xy + x + y+ 1,，仔細看看你就會發(fā)現(xiàn)它等于(x + 1) (y + 1),，所以取f(x) = x + 1和g(y) = y + 1即可,。

然而，如果F(x, y) = xy + 1呢,？這時你就會發(fā)現(xiàn)，無論如何也不能把它表示成f(x)g(y),。

對此可以用反證法證明如下：假設(shè)F(x, y) = f(x) g(y),，那么對y取兩個值y1和y2時,，F(xiàn)(x, y1) = f(x) g(y1)，F(xiàn)(x,y2) = f(x) g(y2),。這兩個式子相除，就會把f(x)消掉,，得到F(x, y1) / F(x, y2) = g(y1) / g(y2),。等式的右邊g(y1) / g(y2)是一個與x無關(guān)的數(shù)，因此等式的左邊F(x, y1) / F(x, y2)也必須是個與x無關(guān)的數(shù),。可是對于F(x, y) = xy + 1,，設(shè)y1 = 0，得到F(x, y1) = 1,，設(shè)y2 = 1,，得到F(x, y2) = x+ 1。兩者相除得到F(x, y1) / F(x, y2) = 1/ (x + 1)，跟x有關(guān),。因此初始的假設(shè)不對,，F(xiàn)(x,y) = xy + 1不能分離變量。

有了以上的數(shù)學(xué)準備,，我們就可以解釋量子糾纏是什么了。

在量子力學(xué)中,，體系的狀態(tài)（沒錯,，就是前面說的態(tài)矢量）可以用一個函數(shù)來表示,，稱為“態(tài)函數(shù)”（是的，你既可以把它理解為一個函數(shù),，也可以把它理解為一個矢量，兩者不矛盾,，怎么方便怎么來）,。單粒子體系的態(tài)函數(shù)是一元函數(shù)，多粒子體系的態(tài)函數(shù)是多元函數(shù),。如果這個多元函數(shù)可以分離變量，也就是可以寫成多個一元函數(shù)直接的乘積,，我們就把它稱為“直積態(tài)”,。如果它不能分離變量,，我們就把它稱為“糾纏態(tài)”。

直積態(tài)和糾纏態(tài)的區(qū)分為什么重要,？我們舉些例子來說明,。

在量子力學(xué)中，我們常常用類似|00>的狄拉克符號來表示兩粒子體系的狀態(tài),，其中第一個符號表示粒子1所處的狀態(tài),，第二個符號表示粒子2所處的狀態(tài)，|00>就表示兩個粒子都處于自己的|0>態(tài),。同理，|01>表示粒子1處于自己的|0>態(tài),、粒子2處于自己的|1>態(tài)，|11>表示兩個粒子都處于自己的|1>態(tài),，如此等等。

這些狀態(tài)都是直積態(tài),，體系整體的二元態(tài)函數(shù)就是兩個粒子各自的一元態(tài)函數(shù)的乘積,。對于直積態(tài)，你在測量粒子1的時候,，不會影響粒子2的狀態(tài),，所以你可以說“粒子1處于某某狀態(tài)，粒子2處于某某狀態(tài)”,。這就是分離變量的結(jié)果,。

下面我們來考慮這樣一個狀態(tài)：|β00>= (|00> + |11>)/√2，它是|00>和|11>的一個疊加態(tài)（是的,，疊加原理對多粒子體系也成立）,。這個態(tài)是不是直積態(tài)呢？也就是說,，(|00> + |11>)/√2能不能寫成(a|0> + b|1>) (c|0> + d|1>)（前一個括號中是粒子1的狀態(tài),，后一個括號中是粒子2的狀態(tài)）？

你立刻就會發(fā)現(xiàn),，不能,。假如可以的話，因為這個狀態(tài)中不包含|01>,，所以ad = 0，于是a和d中至少有一個等于0,。但是如果a = 0,，|00>就不會出現(xiàn)；而如果d = 0,，|11>又不會出現(xiàn),。無論如何都自相矛盾,，所以假設(shè)錯誤，|β00>不是直積態(tài),，而是糾纏態(tài),，不能分離變量。這就意味著,，不能用“粒子1處于某某狀態(tài),，粒子2處于某某狀態(tài)”這樣的語言來描述|β00>，你只能說這個體系整體處于|β00>狀態(tài),。

真正驚人的事情,，發(fā)生在對|β00>做測量的時候。你對它測量粒子1的狀態(tài),，會以一半的概率使整個體系變成|00>,，此時兩個粒子都處于自己的|0>；以一半的概率使整個體系變成|11>,，此時兩個粒子都處于自己的|1>,。你無法預(yù)測單次測量的結(jié)果，但你可以確定,，粒子1變成什么,，粒子2也就同時變成了什么。兩者總是同步變化的,。好比成龍的電影《雙龍會》中有心靈感應(yīng)的雙胞胎,，一個做了某個動作,，另一個無論相距多遠都會做同樣的動作。

成龍《雙龍會》

在許多科普文章中,，也經(jīng)常用另一個態(tài)(|01> + |10>)/√2作例子，我們可以把它記為|β01>,。這個態(tài)的特點是,，你對它測量粒子1的狀態(tài),，會以一半的概率發(fā)現(xiàn)粒子1處于|0>,，粒子2處于|1>,，另一半概率發(fā)現(xiàn)粒子1處于|1>,，粒子2處于|0>,。你無法預(yù)測單次測量的結(jié)果,，但你可以確定,，粒子1變成什么,，粒子2就同時變成了相反的狀態(tài)。下面的漫畫表現(xiàn)的就是這個態(tài),。

量子力學(xué)中的“糾纏”

有趣的是,，糾纏這個重要的量子力學(xué)現(xiàn)象,，是由幾位反對量子力學(xué)的科學(xué)家提出的，而且其中的“帶頭大哥”就是愛因斯坦,！

《天龍八部》帶頭大哥

如前所述，愛因斯坦是量子力學(xué)早期的奠基人之一,。實際上,，他得諾貝爾獎不是因為提出相對論，而是因為提出光量子（即光子）理論（這是諾貝爾獎委員會做過的最搞笑的事情之一）,。但隨著量子力學(xué)的發(fā)展,，愛因斯坦對量子力學(xué)的許多特性產(chǎn)生了深深的懷疑。

他認為每個粒子在測量之前都應(yīng)該處于某個確定的狀態(tài)，而不是等到測量之后,，否則就不能叫做“物理實在”,。愛因斯坦的一個經(jīng)典問題是：“你是否相信，月亮只有在我們看它的時候才存在,？”

1935年,，愛因斯坦（Albert Einstein）、波多爾斯基（Boris Podolsky）和羅森（Nathan Rosen）提出了一個思想實驗,，后人用他們姓的首字母把他們?nèi)撕戏Q為EPR。先讓兩個粒子處于|β00>態(tài),，這樣一對粒子稱為“EPR對”,。把這兩個粒子在空間上分開很遠，可以任意的遠,。然后測量粒子1,。如果你測得粒子1在|0>，那么你立刻就知道了粒子2現(xiàn)在也在|0>,。

EPR問：既然兩個粒子已經(jīng)離得非常遠了,，粒子2是怎么知道粒子1發(fā)生了變化，然后發(fā)生相應(yīng)的變化的,？EPR認為兩個粒子之間出現(xiàn)了“鬼魅般的超距作用”,，信息傳遞的速度超過光速，違反了狹義相對論,。所以,，量子力學(xué)肯定有毛病。

這是個深邃的問題,，量子力學(xué)的另一位奠基人玻爾為此跟愛因斯坦進行過激烈的辯論,。玻爾的回答是：處于糾纏態(tài)的兩個粒子是一個整體，絕不能把它們看作彼此獨立無關(guān)的,，無論它們相距有多遠,。當你對粒子1進行測量的時候，兩者是同時發(fā)生變化的,，并不是粒子1變了之后傳一個信息給粒子2,，粒子2再變化。所以這里沒有發(fā)生信息的傳遞,，并不違反相對論,。

玻爾與愛因斯坦

仔細想一想，你就會明白EPR實驗沒有傳輸信息,。如果A希望把一比特的信息“0”或“1”傳給遠處的B,，那么雙方需要事先約定好如何表示這個信息，比如說A想傳“0”時就讓B測得粒子2處于|0>，A想傳“1”時就讓B測得粒子2處于|1>,。假如A能控制測量的結(jié)果,，比如說這次A一定會讓粒子1處于|0>，那么A同時就讓粒子2處于了|0>,，A確實就給B傳了一個“0”,。

但是，量子力學(xué)的精髓恰恰在于測量的結(jié)果是隨機的,，你不能控制,，所以EPR實驗不能這么用。A測量粒子1得到的是一個隨機數(shù),，B測量粒子2得到的也是一個隨機數(shù),，只不過這兩個隨機數(shù)必然相等而已。你想傳一個比特,，可是EPR對完全不聽你指揮,，所以你傳不了任何信息。既然沒傳輸信息,，當然就不違反狹義相對論了,。

在愛因斯坦和玻爾的時代，人們只能對EPR問題進行哲學(xué)辯論（這是好聽的說法,，說得通俗一點就是“打口水仗”）,，無法通過實驗做出判斷。1964年,，貝爾（John S. Bell）指出,，可以設(shè)計一種現(xiàn)實可行的實驗，把雙方的矛盾明確表現(xiàn)出來,。對兩粒子體系測量某些物理量之間的關(guān)聯(lián)程度,，如果按照EPR的觀點，這些物理量在測量之前就有確定的值,，那么這個關(guān)聯(lián)必然小于等于2,；而按照量子力學(xué)，這個關(guān)聯(lián)等于2√2,，大于2,。這個“關(guān)聯(lián)小于等于2”的不等式叫做貝爾不等式，而量子力學(xué)不滿足貝爾不等式,。

漫畫：貝爾不等式

從1980年代開始,，阿斯佩克特（Alain Aspect）等一系列的研究組在越來越高的精度下做了實驗，結(jié)果都是在很高的置信度下違反貝爾不等式,，量子力學(xué)贏了,。EPR的思想實驗最初是用來批駁量子力學(xué)的,，結(jié)果卻證實了量子力學(xué)的正確！

類似的故事在科學(xué)史上也常有,。十九世紀的時候,，泊松（Simeon-Denis Poisson）主張光是粒子，菲涅耳（Augustin-JeanFresnel）主張光是波動,，兩個陣營打得不可開交,。1818年，菲涅耳計算了圓孔,、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋,。泊松指出，按照菲涅耳的理論,，在不透明圓板的正后方中央會出現(xiàn)一個亮點,。從常識來看，不應(yīng)該是暗的嗎,？于是泊松宣稱波動說推出了荒謬的結(jié)果，已經(jīng)被駁倒了,。

但是菲涅耳和阿拉果（Dominique F. J. Arago）立即做實驗,，結(jié)果顯示那里真的有一個亮斑（學(xué)過光學(xué)的同學(xué)能夠理解，這是因為所有到達那里的衍射光都經(jīng)過同樣的路程,，發(fā)生同相的疊加,，互相加強）。于是波動說大獲全勝,，粒子說被打入冷宮（1905年被愛因斯坦復(fù)活了,，這就是他得諾貝爾獎的原因）。后人很有幽默意味地把這個亮點稱為泊松亮斑,。這正應(yīng)了尼采的話：“殺不死我的,，使我更強大！”

泊松亮斑

EPR現(xiàn)象既然是一個真實的效應(yīng),，而不是愛因斯坦等人以為的悖論,，人們就想到利用它。現(xiàn)在,，EPR對是量子信息中一個非常有力的工具,。對此我們只能說，偉人連錯誤都是很有啟發(fā)性的,！就像《大話西游》中的名言：跑都跑得那么帥~

《大話西游》紫霞仙子：跑都跑得那么帥,，我真幸福

現(xiàn)在科學(xué)家們認為，糾纏是一種新的基本資源,，其重要性可以和能量,、信息,、熵或任何其他基本的資源相比。不過目前還沒有描述糾纏現(xiàn)象的完整的理論,，人們對這種資源的理解還遠不夠深入,。有人把糾纏比喻為“青銅時代的鐵”，它可能會在下一個歷史時代大放異彩,。

對量子糾纏的種種誤解,，經(jīng)常出現(xiàn)在各種半吊子“科普”文章或者裝神弄鬼的文章中。這里來稍稍解釋一下,。

最經(jīng)常見到的誤解是：量子糾纏是個非常神奇的現(xiàn)象,，沒有人知道它的機制是什么。

實際情況是：量子糾纏的機制就是上面說的這些,，疊加原理,，測量時的突變，直積態(tài)和糾纏態(tài)的區(qū)別,。其實量子糾纏是一個被理論預(yù)言然后確實觀察到了的現(xiàn)象,，而不是意外的實驗發(fā)現(xiàn)，所以,，科學(xué)家怎么可能不知道它的機制呢,？

如果你覺得這些不像個“機制”，那么請你想想,，2 + 3 = 5的機制又是什么,？我們只能說，2 + 3 = 5是自然數(shù)理論的必然推論,，自然數(shù)理論就是它的機制,。量子糾纏現(xiàn)象就是量子力學(xué)原理的必然推論，你不可能把量子力學(xué)之外的東西搞成它的機制,。

經(jīng)常有人腦洞大開地提議,，量子糾纏的機制是，兩個相距遙遠的粒子在高維空間里連在一起,，或者說它們的“內(nèi)部距離”為零,，我們平時看到的三維空間是高維空間的投影。這種說法看起來很機智,，實際上沒有什么用處,。因為它完全是為了解釋量子糾纏這一個現(xiàn)象而提出來的，而且只是定性解釋,，不能給出任何定量預(yù)測,，也不能用到任何別的現(xiàn)象上。這只是一種語言游戲而已,。

就像有的原始人看到飛機飛行覺得很神奇,，造個理論說有一只大鳥的魂靈在這鐵鳥里面托著它飛,，在其他原始人看來好像很有道理，在內(nèi)行看來卻是多此一舉,。真要想理解飛機的原理,，你就必須學(xué)空氣動力學(xué)。同樣,，真要想理解量子糾纏的原理,，你就必須學(xué)量子力學(xué)，舍此別無他途,。

還有一種常見的誤解,，是以為任何兩個粒子都會橫跨整個宇宙同步變化。實際情況是,，只有處于糾纏態(tài)的兩個粒子才會這樣,。這是一個需要條件的現(xiàn)象，不是無條件的,，而且在實驗上精確制備這種條件還很不容易,。

量子糾纏是一種多粒子體系的現(xiàn)象，而粒子越多,，操縱起來當然就越困難,。所以你會不時地看到這樣的新聞：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊實現(xiàn)了x個光子的糾纏態(tài)，刷新了以前同一研究組創(chuàng)造的y個光子糾纏的世界紀錄,。最新的x = 10，y = 8,，這是2016年12月的消息,。多次打破世界紀錄的撐桿跳高名將布勃卡和牙買加飛人博爾特，就是這個feel,！

十光子糾纏

最大而無當?shù)恼`解,，是以為量子糾纏證明了某種神秘主義的哲學(xué)或宗教，大發(fā)一通包羅萬象,、鬼話連篇的議論,。實際情況是，量子糾纏是個原理很清楚的物理現(xiàn)象,。你要拿它來討論哲學(xué)或宗教,，至少也該先搞清楚它是什么！

（未完待續(xù)）

背景簡介：本文作者為袁嵐峰,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)博士,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室副研究員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長,。